JP2016218083A

JP2016218083A - 高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法およびその利用

Info

Publication number: JP2016218083A
Application number: JP2016170362A
Authority: JP
Inventors: 一弘松木; Kazuhiro Matsuki
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2016-12-22
Also published as: JP2012213800A; JP2018089699A; JP6037374B2

Abstract

【課題】耐熱性および伸び特性に優れた鉛非含有高温はんだ用亜鉛合金の組成比を容易に決定する方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る組成比決定方法は、下記一般式（１）によって求められるΔＭｋが０．０７〜０．１６の範囲内となるように、亜鉛合金の組成比を決定する工程を包含している：ΔＭｋ＝Σ｜Ｍｋ_i−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_i … （１）
（式中、Ｍｋ_iは亜鉛合金を構成する亜鉛以外のｉ元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｍｋ_Znは亜鉛元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｘ_iはｉ元素のモル分率である。）。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法およびその利用に関する。

２５０℃以上の耐熱性を備える高温はんだは、車のエンジンルーム等に多用されている。高温はんだとしては、融点を高めるために、一般的に鉛を含有するものが使用されている。しかし、鉛は人体に有害である。このため、鉛含有はんだの製造現場や鉛含有はんだを使用する電子機器等の生産現場における作業者の健康への影響、および鉛含有はんだを用いて生産された電子機器等が廃棄された場合の自然環境への影響を考慮すると、有害物質である鉛を含有していない高温はんだが望まれている。

これまでに、種々の合金が鉛非含有はんだ用合金として利用されている。中でも、亜鉛合金は、比較的安価であること、その融点が鉛含有合金の融点に近いこと等の理由から、鉛非含有はんだ用の合金として多用されている。

しかし、高温はんだ用合金に要求される機械特性および温度特性を満足する亜鉛合金の組成比を決定する技術は未だ確立されていない。このため、新規の高温はんだ用亜鉛合金を開発する場合や、既にある高温はんだ用亜鉛合金の諸特性をさらに改良したい場合には、亜鉛合金の諸特性に及ぼす各合金元素の種類及び添加量の影響を評価する試験を行ない、得られた結果に基づいて高温はんだ用合金に適した合金組成を決定するという、いわゆる試行錯誤的な方法が採用されている。

ところで、特許文献１および非特許文献１には、亜鉛のＳ軌道エネルギー準位（Ｍｋ_Zn）と亜鉛合金を構成する亜鉛以外のｉ元素のＳ軌道エネルギー準位（Ｍｋ_i）とから求められる亜鉛合金の組成平均（ΔＭｋ）、具体的には、一般式ΔＭｋ＝Σ｜Ｍｋ_i−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_i（式中、Ｍｋ_iはｉ元素のＭｋ値であり、Ｍｋ_ZnはＺｎ元素のＭｋ値であり、Ｘ_iはｉ元素のモル分率である。）から求められるΔＭｋと亜鉛合金の機械特性とが相関することが開示されている。

また、特許文献２には、アルミニウム合金の強度特性と組成平均（ΔＭｋ）との関係を示した強度特性指標図を用いて、アルミニウム合金の強度特性を評価し得ることが開示されている。さらに、かかる強度特性指標図から、所望の強度特性を有するアルミニウム合金となるような合金用元素の種類および添加量を決定し得ることが開示されている。

特開平７−２７８７０７号公報（１９９５年１０月２４日公開）特開平６−２５８３１４号公報（１９９４年９月１６日公開）

二宮隆二，「マグネシウム合金と亜鉛合金の機械的性質と合金設計」，豊橋技術科学大学博士論文，１９９５年１月

しかしながら、特許文献１〜２および非特許文献１は、高温はんだ用の亜鉛合金の最適な組成比を決定する方法について開示したものではない。それゆえ、高温はんだ用合金に適した亜鉛合金の組成比、特に、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金の組成比を決定するには、従来の試行錯誤的な方法を採用せざるを得ない。このような試行錯誤的な手法は、所望の諸特性を備えた亜鉛合金を開発するまでに多大な費用、時間および労力を必要とし、極めて非能率的である。特に、多成分系亜鉛合金についてこのような方法を実施することは困難であった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐熱性および伸び特性に優れた鉛非含有高温はんだ用亜鉛合金の組成比を容易に決定する方法、並びにかかる方法を利用した高温はんだ用亜鉛合金の製造方法を提供することにある。

本発明者は、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金の組成比を決定するために、特許文献１等に開示されたΔＭｋについての知見を応用できると考えた。すなわち、ΔＭｋと亜鉛合金の機械特性とが相関するという知見を応用できると考えた。そして、ΔＭｋの値が、０．０７〜０．１６の範囲内を満足する組成比を有する亜鉛合金は、いかなる組成であっても、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金となり得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、上記の課題を解決するために以下を包含している。

本発明に係る融点が５２３Ｋ以上、引張強度が２００ＭＰａ以上、且つ延性が５％以上である高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法は、下記一般式（１）によって求められるΔＭｋが０．０７〜０．１６の範囲内となるように、亜鉛合金の組成比を決定する工程を包含していることを特徴としている：
ΔＭｋ＝Σ｜Ｍｋ_i−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_i … （１）
（式中、Ｍｋ_iは亜鉛合金を構成する亜鉛以外のｉ元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｍｋ_Znは亜鉛元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｘ_iはｉ元素のモル分率である。）。

本発明に係る融点が５２３Ｋ以上、引張強度が２００ＭＰａ以上、且つ延性が５％以上である高温はんだ用亜鉛合金の製造方法は、本発明に係る組成比決定方法によって決定された組成比に基づいて亜鉛およびｉ元素を配合する工程を包含していることを特徴としている。

本発明に係る高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法によれば、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金の組成比を容易に決定することができる。また、本発明に係る製造方法によれば、耐熱性および伸び特性に優れた鉛非含有高温はんだ用亜鉛合金を容易に製造することができる。

亜鉛合金のΔＭｋと機械特性（引張強度および延性）との間の相関を示すグラフである。亜鉛合金のΔＭｋと温度特性（融点および液相線）との間の相関を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変形を加えた態様で実施できるものである。また、本明細書中に記載された学術文献および特許文献の全てが、本明細書中において参考として援用される。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「Ａ〜Ｂ」は、「Ａ以上、Ｂ以下」を意味する。

（１．高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法）
本明細書において「高温はんだ用亜鉛合金」とは、融点が５３０Ｋ（約２５７℃）以上である亜鉛合金が意図される。本発明に係る高温はんだ用亜鉛合金の組成比を決定する方法（以下、「本発明の組成比決定方法」ともいう。）は、下記一般式（１）によって求められるΔＭｋが０．０７〜０．１６の範囲内となるように、亜鉛合金の組成比を決定する工程を少なくとも包含している：
ΔＭｋ＝Σ｜Ｍｋ_i−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_i … （１）
（式中、Ｍｋ_iは亜鉛合金を構成する亜鉛以外のｉ元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｍｋ_Znは亜鉛元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｘ_iはｉ元素のモル分率である。）。

例えば、亜鉛合金の組成の一例であるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ＣｕのΔＭｋは、下記一般式（１）’から求めることができる。：
ΔＭｋ＝｜Ｍｋ_Al−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_Al＋｜Ｍｋ_Mg−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_Mg＋｜Ｍｋ_Cu−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_Cu … （１）’
（式中、Ｍｋ_Zn亜鉛元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｍｋ_Alはアルミニウム元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｍｋ_Mgはマグネシウム元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｍｋ_Cuは銅元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｘ_Alはアルミニウム元素のモル分率であり、Ｘ_Mgはアルミニウム元素のモル分率であり、Ｘ_Cuはアルミニウム元素のモル分率である。）。この場合、Ａｌ元素、Ｍｇ元素およびＣｕ元素が上記一般式（１）におけるｉ元素に相当する。

なお、上記一般式（１）および（１）’における、母金属亜鉛の中の合金元素Ｍのｓ軌道エネルギー準位（Ｍｋ）（単位はｅＶであるが、本明細書中では単位の記載を省略する。）は、分子軌道計算法（DiscreteVariational（ＤＶ）−Ｘαクラスター法）によって求めることができる。この計算法は、数個〜数十個からなる原子の集合体（クラスター）模型を用いて行う分子軌道計算法である。本計算法については、例えば、足立裕彦著『量子材料化学入門』（三共出版、１９９１年）において詳しく説明されている。亜鉛合金における各合金元素のＭｋ値は、例えば、特許文献１の表１に具体的に開示されている。従って、所定のΔＭｋ値を満足するような亜鉛合金の組成比、すなわち亜鉛合金におけるｉ元素の含有量およびｉ元素の種類は、上記一般式（１）および各合金元素のＭｋ値から容易に決定され得る。

ここで、Ｚｎ−１０Ａｌ−０．０２Ｍｇ−（０〜１３．５）Ｃｕの場合のΔＭｋ、すなわち上記一般式（１）’において、Ｘ_Al＝１０、Ｘ_Mg＝０．０２、Ｘ_Cu＝０〜１３．５の場合のΔＭｋと、機械特性との間の相関を図１に示す。図１は、亜鉛合金のΔＭｋと機械特性（引張強度および延性）との間の相関を示すグラフである。図１のグラフ中、実線は亜鉛合金のΔＭｋと引張強度との間の相関を表し、破線は亜鉛合金のΔＭｋと延性との間の相関を表している。なお、図１のグラフ中に示した「引張強度」は、応力−ひずみ曲線上最大応力を求める方法によって測定した値である（須藤一著「材料試験法」内田老鶴圃出版、１９７６年を参照のこと。）。また、「延性」は、破断後の試料突合せ伸びを測定する方法によって測定した値である（須藤一著「材料試験法」内田老鶴圃出版、１９７６年を参照のこと。）。

図１に示すように、ΔＭｋは、亜鉛合金の引張強度および延性等の機械特性と相関していることがわかる。具体的には、図１の実線で示したグラフから、ΔＭｋが０．０７以上であれば、かかるΔＭｋ値を満足する組成比を有している亜鉛合金の引張強度は２００ＭＰａ以上（より好ましくは２５０ＭＰａ以上）になると予測される。また、図１の破線で示したグラフから、ΔＭｋが０．１６以下であれば、かかるΔＭｋ値を満足する組成比を有している亜鉛合金の延性は５％以上になると予測される。

実際、組成がＺｎ−４Ａｌ−３Ｃｕ−０．０５Ｍｇである亜鉛合金（ΔＭｋは０．０７）の引張強度の実測値は２００ＭＰａ以上であり（図１中「Ｚｎ−４Ａｌ−３Ｃｕ−０．０５Ｍｇ」で示すプロットを参照のこと。）、延性は５％以上であった（図示せず）。また、本発明の組成比決定方法で設計された、組成がＺｎ−１０Ａｌ−２Ｓｎである亜鉛合金（ΔＭｋは０．０８９）の引張強度の実測値は２００ＭＰａ以上であり（図１中「Ｚｎ−１０Ａｌ−２Ｓｎ」で示すプロットを参照のこと。）、延性は５％以上であった（図示せず）。また、本発明の組成比決定方法で設計された、組成がＺｎ−４Ａｌ−７Ｓｎである亜鉛合金（ΔＭｋは０．０７９）の引張強度の実測値は２００ＭＰａ以上であり（図１中「Ｚｎ−４Ａｌ−７Ｓｎ」で示すプロットを参照のこと。）、延性は５％以上であった（図示せず）。

一方で組成がＺｎ−１６Ａｌ−１０Ｃｕ−０．０２Ｍｇである亜鉛合金（ΔＭｋは０．２１）の引張強度の実測値は２５０ＭＰａ以上であったが（図１中「Ｚｎ−１６Ａｌ−１０Ｃｕ−０．０２Ｍｇ」で示すプロットを参照のこと。）、延性が５％を大きく下回った（図示せず）。

上記Ｚｎ−４Ａｌ−３Ｃｕ−０．０５Ｍｇ、Ｚｎ−１０Ａｌ−２Ｓｎ、Ｚｎ−４Ａｌ−７Ｓｎ、およびＺｎ−１６Ａｌ−０．０２Ｍｇ−１０Ｃｕの引張強度の実測値は、図１の実線で示したグラフに基づいてΔＭｋの値から予測され得る引張強度の予測値と近い値であった。このことから、ΔＭｋ値が０．０７〜０．１６の範囲内であれば、組成比が異なる亜鉛合金であっても引張強度が２００ＭＰａ以上であり、且つ延性が５％以上となると考えられる。亜鉛合金の引張強度が２００ＭＰａ以上（より好ましくは２５０ＭＰａ以上）であり、且つ延性が５％以上であれば、伸び特性に優れた高温はんだ用合金となり得る。

さらに、図１に示した、組成がＺｎ−１０Ａｌ−０．０２Ｍｇ−（０〜１３．５）Ｃｕの場合の亜鉛合金のΔＭｋと温度特性（融点および液相線）との間の相関を図２に示す。図２のグラフ中、実線は亜鉛合金のΔＭｋと融点との間の相関を表し、破線は亜鉛合金のΔＭｋと液相線との間の相関を表している。なお、図２のグラフ中に示した「融点」は、示差熱分析の方法によって測定した値である（長崎誠三監修、真空理工株式会社編集「熱分析実験技術入門」科学技術社発売、１９７４年を参照のこと。）。また、「液相線」は、示差熱分析の方法によって測定した値である（長崎誠三監修、真空理工株式会社編集「熱分析実験技術入門」科学技術社発売、１９７４年を参照のこと。）。

図２に示すように、ΔＭｋが０．０７〜０．１６の範囲内である場合に、かかるΔＭｋ値を満足する組成比を有している亜鉛合金は、融点（液相、固相線あるいは共晶温度）が５２３Ｋ以上であることがわかる。亜鉛合金の融点が５２３Ｋ以上であれば、耐熱性に優れた高温はんだ用合金となり得る。

以上のように、本発明の組成比決定方法では、上記一般式（１）によって求められるΔＭｋが０．０７〜０．１６の範囲内となるように亜鉛合金の組成比を決定するので、本発明の組成比決定方法によれば、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金の組成比を容易に決定することができる。その結果、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金、具体的には、少なくとも、融点が５２３Ｋ以上、引張強度が２００ＭＰａ以上（より好ましくは２５０ＭＰａ以上）、且つ延性が５％以上である高温はんだ用亜鉛合金を容易に提供することができる。

本発明に係る組成比決定方法においては、ΔＭｋが０．０７〜０．１６の範囲内となるように亜鉛合金の組成比を決定すればよいが、ΔＭｋは０．１〜０．１６の範囲内であることが好ましく、０．１４〜０．１６の範囲内であることがより好ましい。

また、上記一般式（１）において、ｉ元素の種類は特に制限されず、例えば、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、シリカ、カリウム、カルシウム、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン等であり得る。これらのｉ元素は、一種類を単独で用いてもよく、複数種類を組み合わせて用いてもよい。

（２．高温はんだ用亜鉛合金の製造方法）
本発明に係る高温はんだ用亜鉛合金の製造方法（以下、「本発明の製造方法」ともいう。）は、上記「１．高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法」の項において説明した組成比決定方法によって決定された組成比に基づいて亜鉛および上記ｉ元素を配合する工程を少なくとも包含している。本発明の製造方法では、上述した本発明の組成比決定方法によって決定された組成比に基づいて亜鉛および上記ｉ元素を配合した後には、従来公知の方法（例えば、焼結法、溶解−鋳造法等）を用いて亜鉛合金を作製することができる。

本発明の製造方法によれば、上記「１．高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法」の項において説明した一般式（１）によって求められるΔＭｋが、０．０７〜０．１６の範囲内となる組成比を有する亜鉛合金を製造することができる。従って、本発明の製造方法によれば、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金を容易に製造することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明によれば、耐熱性および伸び特性に優れた高温はんだ用亜鉛合金の組成比を容易に決定することができる。その結果、耐熱性および伸び特性に優れた鉛非含有高温はんだを容易に提供することが可能となる。従って、本発明は、高温はんだを利用するあらゆる産業分野において利用することができる。

Claims

下記一般式（１）によって求められるΔＭｋが０．０７〜０．１６の範囲内となるように、亜鉛合金の組成比を決定する工程を包含していることを特徴とする、融点が５２３Ｋ以上、引張強度が２００ＭＰａ以上、且つ延性が５％以上である高温はんだ用亜鉛合金の組成比決定方法：
ΔＭｋ＝Σ｜Ｍｋ_i−Ｍｋ_Zn｜×Ｘ_i … （１）
（式中、Ｍｋ_iは亜鉛合金を構成する亜鉛以外のｉ元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｍｋ_Znは亜鉛元素のｓ軌道電子エネルギー準位であり、Ｘ_iはｉ元素のモル分率である。）。
請求項１に記載の組成比決定方法によって決定された組成比に基づいて亜鉛および上記ｉ元素を配合する工程を包含していることを特徴とする、融点が５２３Ｋ以上、引張強度が２００ＭＰａ以上、且つ延性が５％以上である高温はんだ用亜鉛合金の製造方法。
上記高温はんだ用亜鉛合金は、亜鉛合金を構成する亜鉛以外の元素が、アルミニウム、マグネシウムおよび銅である亜鉛合金であるか、または亜鉛合金を構成する亜鉛以外の元素が、アルミニウムおよびスズである亜鉛合金である、請求項１に記載の組成比決定方法。